能源的可持续供应是能源问题的核心,由于消费需求的增加和储量限制,化石燃料不再是一种有保障的能源。在未来可再生能源系统中,质子交换膜燃料电池成为一种重要的能源转换设备。从传统内燃机到质子交换膜燃料电池,无论是在能源结构还是环保方面都发生了重大突破。质子交换膜燃料电池具有环保,室温启动快,结构简单和能量密度高等优点,但由于电化学反应动力学缓慢引起的高过电位,电池的整体效率受到了一定的限制。Pt基纳米催化剂可以缓解这一问题。本文采用不同的策略,优化设计并合成了高性能Pt基纳米催化剂,并对其电催化特性进行了研究讨论。具体研究内容如下:(1)开发高效、稳定的电催化剂是燃料电池走向实用的关键。为了解决催化剂因尺寸效应引起的催化活性和稳定性之间的矛盾,采用简便的一步溶剂热法设计合成了具有一维链状结构的Pt-Ni合金纳米颗粒催化剂。链状Pt-Ni纳米颗粒由平均尺寸约为10 nm的纳米颗粒和直径约为3 nm、长度为几百纳米的纳米线组装而成,该结构具有零维纳米颗粒高的比表面积和一维纳米线高的结构稳定性优势,可显著提高甲醇氧化反应的催化活性和稳定性,其质量活性和比活性分别是商业Pt/C纳米催化剂的5.7倍和7.6倍。经1000圈循环伏安测量后仍保留91.2%的比活性,远高于商业Pt/C的4.4%。制备的一维链状结构很好地解决了纳米颗粒催化剂在反应中的团聚问题,为获得同时具有较高催化活性和稳定性的Pt基纳米催化剂提供了新的途径,有望实现大范围工业化应用。(2)直接甲酸燃料电池是典型的质子交换膜燃料电池之一。了解甲酸电氧化的反应机理,改善催化剂性能,具有重要意义。采用超声辅助的简便方法,设计并合成了钴碳纳米框架(Co C NF)负载的Pt Au合金纳米催化剂(Pt Au/Co C NF)以催化甲酸氧化(FAO)反应。不使用任何表面活性剂的情况下,在乙醇/水溶剂中,在预先合成的钴碳纳米框架(Co C NF)上均匀且致密地负载Pt Au合金纳米颗粒,合成了Pt Au/Co C NF系列催化剂。通过简单地调节前驱体的使用剂量可以实现Pt/Au可控比。对制备的样品进行表征,包含形态、成分、晶体结构和电子结构等物理表征,并且研究了它们对FAO的催化特性,合成的样品中优异的比活性可达到商业Pt/C的6.4倍。优异的FAO催化特性归因于独特的Co C NF载体促进了载体和负载颗粒之间的电子转移以及合适Pt/Au原子比所提供的Pt和Au的优化协同效应。这为通过合金化法和耐久性支撑体替代法来优化设计Pt基纳米催化剂的策略提供了有意义的参考。